Электрохимия процессов переноса электронов с экзогенных медиаторов на угольно-пастовый электрод

Задачами аналитических исследований являются определение химического состава и структуры самого широкого круга компонентов, содержащихся в разнообразных веществах и материалах

Электрохимия процессов переноса электронов с экзогенных медиаторов на угольно-пастовый электрод

Курсовой проект

Химия

Другие курсовые по предмету

Химия

Сдать работу со 100% гаранией
1

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Тульский государственный университет»

Естественнонаучный институт

Кафедра биотехнологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Физическая химия»

на тему:

«Электрохимия процессов переноса электронов с экзогенных медиаторов на угольно-пастовый электрод»

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Общие сведения о биосенсорах 1.2 Медиаторы электронного транспорта 1.3 Циклическая вольтамперометрия 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1 Используемые приборы, реактивы, рабочие программы 2.2 Приготовление растворимых медиаторов электронного транспорта 2.3 Формирование биоэлектродов 2.4 Электрохимические исследования 3.ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 3.1 Определение электрохимической обратимости системы 3.2 Определение коэффициента переноса 3.3 Определение природы электродных процессов, лимитирующего тока 3.4 Определение гетерогенной константы скорости ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ВВЕДЕНИЕ

Задачами аналитических исследований являются определение химического состава и структуры самого широкого круга компонентов, содержащихся в разнообразных веществах и материалах биологического происхождения, а также оценка ряда их физических и физико-химических характеристик.

Данные задачи способствуют созданию простых в применении, недорогих, высокочувствительных и специфичных методов и приборов на их основе для обнаружения заданных веществ в пробе и выполнения химического анализа. Биосенсорные исследования в полной мере удовлетворяют данным требованиям, относятся к области аналитической химии и аналитической биологии и позволяют проводить качественный и количественный анализ.

Основными качествами биосенсорного анализа, принципиально отличающими его от классических вариантов физико-химического, являются:

- безреагентность – для выполнения анализа как правило не требуется производить добавление к исследуемому образцу каких-либо химических реагентов;

- простота анализа – отсутствует необходимость привлечения к его выполнению высококвалифицированного персонала;

- низкая стоимость одиночного анализа, обусловленная малым количеством используемого биологического материала, простотой аппаратурной реализации;

- высокая чувствительность, специфичность – обусловлена применением биологического материала, осуществляющего высокоселективные превращения некоторых веществ; изменяющего свои свойства в присутствии биологически активных соединений; образующего с анализируемым соединением легко идентифицируемые комплексы;

- многократность – возможность длительного измерения образцов без замены рецепторного элемента.

Целью работы является изучение физико-химических и электрохимических закономерностей переноса электронов, что включает в себя расчёт гетерогенных констант переноса электронов с электрохимически активного реагента на поверхностью электрода.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

    Определить электрохимическую обратимость системы.

    Определить коэффициент переноса.

    Определить природу электродных процессов, лимитирующего тока.

    Определить гетерогенную константу скорости.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР


1.1 Общие сведения о биосенсорах

биосенсор электрохимический электронный вольтамперометрия

Биосенсоры - аналитические устройства, содержащие биологический материал (ткани, клетки микроорганизмов, клеточные рецепторы, ферменты, нуклеиновые кислоты и т.д.), находящийся в непосредственном контакте с физико-химическим преобразователем или преобразующей микросистемой.

Принцип детекции, реализованный в биосенсорах, основан та том, что биоматериал, иммобилизованный на физическом датчике, при взаимодействии с определяемым соединением генерирует зависимый от его концентрации сигнал, который регистрируется преобразователем того или иного типа и после обработки данных представляется в численном виде.

Известно три типа генерации сигнала в амперометрических биосенсорах:

- Электрохимическая регистрация убыли одного из субстратов ферментативной реакции (например, физиологического акцептора электронов – молекулярного кислорода) или образования продукта (в случае, если продукт или субстрат электроактивны).

- Медиаторный перенос электронов (медиаторный биоэлектрокатализ).

- Прямой перенос электронов (прямой биоэлектрокатализ). При прямом биоэлектрокатализе транспорт электронов осуществляется непосредственно между электродом и активным центром фермента[1].


1.2 Медиаторы электронного транспорта

Первоначально были созданы электроды первого поколения (электрод Кларка), принцип функционирования которых состоял в регистрации изменения концентрации молекулярного кислорода. Биосенсоры первого поколения имели очевидный недостаток, связанный с зависимостью сигналов от концентрации кислорода в среде измерения.

В процессе создания новых типов биосенсоров стало возможным избавиться от нежелательного эффекта, благодаря созданию амперометрических электродов, основанных на прямом переносе электронов в реакциях, катализируемых оксидоредуктазами.

Во втором поколении биосенсоров для передачи электронов из активного центра фермента на электрод стали использовать искусственные акцепторы электронов, способные к обратимому окислению/восстановлению.

Эти молекулы – искусственные доноры или акцепторы электрона (для окисленных и восстановленных форм фермента соответственно) обычно называют медиаторами электронного транспорта.

Под медиатором понимается низкомолекулярная окислительно-восстановительная пара, которая переносит электроны от активного центра фермента к поверхности индикаторного электрода. Медиатор могут иммобилизовать наряду с ферментом, возможно применение водорастворимого медиатора, раствор которого для проведения анализа добавляется в ячейку.

Фермент вступает в окислительно-восстановительную (редокс) реакцию с субстратом и после восстановления субстратом окисляется медиатором, а не кислородом. Медиатор, в свою очередь, окисляется на электроде.

Использование медиаторов даёт ряд важных преимуществ:

    При условии, что медиатор в восстановленной форме не реагирует с кислородом, результаты измерений становятся практически независимыми от парциального давления кислорода в среде. Тем самым устраняется проблема, характерная для кислородзависимых биосенсоров, у которых колебания давления кислорода влияют на сигнал электрода.

    Сенсоры, содержащие медиаторы, позволяют получать большие величины токов откликов. (Так, если при измерениях с кислородным электродом токи лежат внаноамперном диапазоне, то при использовании медиаторов – в микроамперном).

    Использование медиаторов позволяет повышать селективность анализа за счет снижения потенциала электрода, который зависит в этом случае только от редокс-потенциала медиаторной пары.

    Если в процессе окисления восстановленного медиатора не участвуют протоны, то медиаторный электрод может быть относительно нечувствителен к изменениям рН среды измерения.

Для использования на практике медиаторы должны отвечать следующим требованиям:

    Он должен быстро реагировать с восстановленным ферментом;

    Гетерогенные реакции с его участием должны быть обратимы;

    Перенапряжение процесса регенерации окисленного медиатора должно быть низким и не зависеть от pH;

    Медиатор должен быть устойчив как в окисленной, так и в восстановленной форме;

    Восстановленный медиатор не должен реагировать с O2;

    Для многих приложений требуется, чтобы медиатор был нетоксичным.

Медиаторы могут принадлежать к самым разным классам соединений, и тем самым демонстрировать разнообразные свойства. Разнообразие структур медиаторов электронного транспорта определяет разнообразие их свойств, а, в частности, редокс-потенциалов. Иногда медиаторы подразделяют на медиаторы природного и синтетического происхождения. К первым относят цитохромы, убихинон, флавопротеины, ферредоксины, витамины (например, витамин K3) и другие. В числе вторых – многие красители (например, метиленовый голубой), фталоцианины, виологены, хиноны, ферроцены, комплексные ионы металлов (например, [Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-, [Co(NH3)6]2+/[Co(NH3)6]3+, [Co(bpy)3] 2+/[Co(bpy)3]3+) и др.[2].

Типичными синтетическими медиаторами являются нейтральный красный, 2, 6-дихлорфенолиндофенол, метиленовый синий, тионин.

Нейтральный красный:

Нейтральный красный ведет себя отчасти как обратимая система, но в некоторых условиях подвергается второму изменению, которое уже не обратимо. Бесцветная восстановленная форма легко вновь окисляется на воздухе.

Зависимость потенциала нейтрального красного от рН имеет вид:

где K1 и K2 – константы, которые относятся к присоединению ионов водорода к двум крайним аминогруппам, а K0 – подобна диссоциация окисленных форм.

2, 6-дихлорфенолиндофенол:

Реакция восстановления2, 6-дихлорфенолиндофенола имеет вид:

ДХФИФ в окисленной форме действует как кислотно-основный индикатор: красная окраска в кислом растворе, синяя – в щелочном. Соединение синего цвета имеет максимум поглощения в области 600нм. Восстановленная форма – бесцветна, что позволяет определять концентрацию окисленной формы спектрофотометрически.

Метилен

Лучшие

Похожие работы

1 2 3 4 > >>